Darin Heisterkamp, Leiter des Vertriebs
SAFI-Tech, Inc.
Einführung
Die Löttechnik ist Tausende von Jahren alt, aber immer noch ein wesentlicher Bestandteil der Elektronikmontage, ohne den keines unserer modernen elektronischen Geräte funktionieren würde. Obwohl das Lötverfahren in der heutigen Zeit etwas verfeinert wurde, wird es immer noch durch Erhitzen der Lötmetalllegierung bis zu ihrem geschmolzenen Zustand und Aufbringen des heißen Metalls an den Kontaktstellen durchgeführt, um eine leitende Lötstelle zu schaffen. Bei der heute gebräuchlichsten Zinn-Silber-Kupfer-Lötmetalllegierung (SAC305) liegt diese Verarbeitungstemperatur im Bereich von 240 °C bis 260 °C, und genau darin liegt ein großes Problem.
Entwicklungsingenieure, die die nächsten Generationen von Elektronikprodukten entwickeln, werden von der Nachfrage der Verbraucher nach neuen Lösungen angetrieben, die nicht den bestehenden Formaten entsprechen, viel kleiner sind und mehr Funktionen bieten. Um dieser Nachfrage gerecht zu werden, sind neue Materialien erforderlich, die dünner, leichter und flexibler sind, sowie Designs, die eine höhere Packungsdichte und eine stärkere Miniaturisierung und Integration aufweisen. Leider sind solche neuen Produkte mit dem Hochtemperaturlöten völlig inkompatibel, aber sie benötigen trotzdem die Vorteile von vollmetallischen, leitfähigen Lötstellen, um zu funktionieren.
Neue Supercooled Soldering™ Technologie
Abbildung 1: Unterkühlte Flüssigmetall-Mikrokapsel.
Abbildung 2: Kalorimetrie-Diagramm, das den Bereich der unterkühlten Flüssigkeit zeigt.
SAFI-Tech hat eine neue Supercooled Soldering™-Technologie mit SAC305 entwickelt, die dieses Problem lösen kann. Unterkühlung ist ein Phänomen, das bei allen Materialien beim Phasenübergang von flüssig zu fest auftritt. Das Mikroverkapselungsverfahren von SAFI-Tech schafft einen neuen Formfaktor, der die unterkühlte flüssige Phase von SAC305 innerhalb einer Nanofilmhülle stabilisiert und die Nutzbarkeit dieser flüssigen Phase auf Temperaturen weit unter dem normalen Erstarrungspunkt der Legierung ausdehnt (siehe Abbildung 1). Jetzt kann SAC305 in diesem erweiterten Flüssigkeitsbereich eingesetzt werden, um vollmetallische, leitfähige Lötverbindungen bei Temperaturen zu bilden, die für jedes Produktdesign am besten geeignet sind (siehe Abbildung 2).
Diese neuartige Lötverbindungstechnologie vermeidet thermische Schäden an Bauteilen und Werkstoffen und mindert Qualitätsprobleme, die durch einen ungleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verursacht werden. Die unterkühlten Flüssigmetall-Mikrokapseln von SAFI-Tech erscheinen als feines Pulver, das in eine typische Lötpastenformulierung eingearbeitet werden kann. Da der Metallkern im Inneren der Mikrokapseln flüssig ist, kann er ausfließen, benetzen, zusammenfließen und sich verfestigen, um eine Lötstelle zu bilden, nachdem auf die Hülle eingewirkt wurde. Ähnlich wie bei bestehenden Lötpasten kann diese Wirkung durch Lötflussmittel erzielt werden, die die Hülle auflösen und das flüssige Metall bei einer bestimmten Temperatur freisetzen, um gegenüberliegende Kontaktpunkte zu verbinden (siehe Abbildung 3).
Abbildung 3: Das Flussmittel löst die Mikrokapselhülle auf und bildet eine Lötstelle.
Produkt-Demonstration
SAFI-Tech demonstriert diese Technologie des unterkühlten Lötens mit SAC305, indem es ein BGA-Gehäuse für integrierte Schaltungen bei niedrigen Temperaturen auf einer Leiterplatte befestigt. Da die Abmessungen von BGA-Gehäusen mit zunehmender Integration zunehmen, werden integrierte Schaltungskomponenten anfälliger für thermisch induzierten dynamischen Verzug, der durch den Hochtemperatur-Lötprozess verursacht wird, was zu Befestigungsfehlern führt. Für diese Demonstration entwickelte SAFI-Tech eine Prototyp-Pastenformulierung und ein Flussmittel mit einer Aktivierungstemperatur von 180 °C, über 60 °C unter den normalen SAC305-Reflow-Temperaturen. Dies ist auch der gleiche Bereich, in dem Niedertemperaturlöten mit BiSn-Legierungen stattfindet. Die Demonstration wurde wie folgt aufgebaut:
Testbrett
- FR4 PCB
- ImmAg Oberflächenbehandlung
- Elektrische Prüfung Kontakte
Bedingungen drucken
- Stahlschablone mit Stahlrakel
- 480 µm Durchmesser der Blende
- 4 mil Dicke
Die Abbildungen 4 und 5 zeigen die Druckeigenschaften der Paste und der schablonierten Paste im BGA-Gittermuster auf der Leiterplatte.
Abbildung 4: Rheometrie des Prototyps einer unterkühlten Lotpaste.
Abbildung 5: Paste gedruckt im BGA-Gittermuster
Querschnittsbilder des BGA-Bauteils nach dem unterkühlten Löten zeigen eine gute Verbindungsbildung zwischen der BGA-SAC305-Lötkugel und dem unterkühlten SAC305-Lot von SAFI-Tech (siehe Abbildung 6). Die BGA-Baugruppe wurde zur vorläufigen Analyse an STI Electronics geschickt, wo alle BGA-Verbindungen nach 1000 Thermoschockzyklen (-40 °C bis 110 °C) ohne Ausfälle leitfähig blieben.
Abbildung 6: BGA mit SAC305-Kugel auf FR4-Leiterplatte, gelötet bei 180 °C mit SAFI-Tech unterkühlter SAC305-Lotpaste (normaler SAC305-Reflow bei 240 bis 260 °C).
Besonders interessant ist das deutliche Vorhandensein der erwünschten intermetallischen Cu6Sn5-Verbindung (IMC), die sich bei dieser Temperatur mit SAC305 bildet (siehe Abbildung 7). Intermetallische Verbindungen spielen eine wichtige Rolle für die mechanische Festigkeit und Zuverlässigkeit der Lötstelle. Im Allgemeinen wird eine IMC-Schicht von weniger als 4 µm bevorzugt, und die IMC-Schicht beim unterkühlten Löten wurde mit 2,5 µm gemessen (siehe Abbildung 8). Dies ist einer typischen IMC-Schicht sehr ähnlich, die mit SAC305 bei herkömmlichen Reflow-Spitzentemperaturen gebildet wird.
Abbildung 7: Querschnitt einer unterkühlten SAFI-Tech SAC305-Lötstelle mit intermetallischer Verbindung (IMC).
Abbildung 8: EDS-Linienabbildung der 2,5 µm dicken Schicht aus intermetallischer Verbindung (IMC).
Weitere Entwicklung
SAFI-Tech setzt seine Entwicklungsarbeit an unterkühltem SAC305 fort, mit dem Ziel, einen unterkühlten flüssigen Zustand für diese Legierung nahe 0 °C zu erreichen (siehe Abbildung 9). Darüber hinaus ist die patentierte und zum Patent angemeldete Mikroverkapselungstechnologie von SAFI-Tech legierungsunabhängig. Weitere Entwicklungen könnten auch andere für die Industrie wichtige Legierungen einbeziehen, die noch vorteilhafter werden, wenn sie mit der Technologie des unterkühlten Lötens angewendet werden.
Abbildung 9: SAFI-Tech Entwicklung von unterkühlten SAC305-Mikrokapseln.
Über SAFI-Tech
SAFI-Tech, Inc. wurde 2016 von Prof. Martin Thuo und Dr. Ian Tevis, den Miterfindern der Plattform für die unterkühlte Mikroverkapselungstechnologie, gegründet. SAFI-Tech bringt ein neues Vollmetall-ohne-Wärme-Paradigma für leitende Verbindungs- und Metallisierungstechnologien für die nächste Evolution in der Elektronik. "SAFI" bedeutet sauber oder rein und leitet das Unternehmen in seinen Bemühungen, neue Technologien auf den Markt zu bringen, die sich positiv auf die Wirtschaft und die Gesellschaft auswirken.
(Dieses Material basiert auf Arbeiten, die vom SBIR-Programm des US-Energieministeriums (Office of Science) unter der Preisnummer DE-SC0020704 unterstützt wurden). [This is automatically translated from English]
